Física

Nov 09, 2023

Los sistemas de refrigeración que utilizan materiales que se enfrían en respuesta a la aplicación de una fuerza eléctrica, magnética o mecánica ofrecen alternativas ecológicas a los que tienen fugas de gases de efecto invernadero que se encuentran en la mayoría de los hogares y las fábricas (consulte el artículo: En busca de la refrigeración del siglo XXI). Ahora, los investigadores han demostrado una versión rentable y escalable de uno de estos llamados sistemas de "enfriamiento calórico" [1]. Su enfoque, que utiliza un material que responde a una fuerza mecánica, supera los récords de rendimiento establecidos por métodos que se basan en campos magnéticos. Los investigadores dicen que su tecnología también es mucho menos costosa de fabricar y operar y podría estar lista para uso comercial dentro de un año.

Los sistemas de enfriamiento magnéticos tuvieron un roce temprano con la fama en 1998 con la demostración de un sistema a temperatura cercana a la ambiente que mantuvo su contenido frío durante 1500 horas [2]. En ese sistema, se aplicó un campo magnético a un material magnetocalórico, lo que resultó en un aumento de la temperatura, ya que las vibraciones atómicas compensaron la entropía perdida a medida que se alineaban los espines no apareados en el material. Apagar el campo invirtió ese aumento, permitiendo que el material actuara como refrigerante que podría usarse en los serpentines de enfriamiento de un refrigerador doméstico. Pero inducir el efecto magnetocalórico requiere campos magnéticos fuertes (> 1 tesla), que solo pueden ser proporcionados por imanes permanentes costosos que contienen aleaciones de tierras raras.

Un enfoque alternativo es utilizar un material elastocalórico. Dicho material sufre un cambio de temperatura inducido por la entropía cuando se somete a una fuerza mecánica que es lo suficientemente grande como para cambiar parcialmente la fase del material. En 2012, Ichiro Takeuchi, de la Universidad de Maryland, descubrió que, cuando se estira, un alambre disponible en el mercado hecho de níquel y titanio (NiTi) experimenta tal cambio, y el aumento de temperatura es lo suficientemente grande como para sentirlo con la mano. Más tarde descubrió que se produce una disminución de la temperatura al comprimir los tubos de NiTi y luego utilizó el efecto en 2016 para desarrollar un sistema de enfriamiento electrocalórico temprano. "Comenzamos a fabricar sistemas [de enfriamiento de baja potencia] utilizando tubos de NiTi en modo de compresión hace unos diez años", dice Takeuchi.

Ahora, un equipo dirigido por Takeuchi y Reinhard Radermacher en la Universidad de Maryland ha llevado el enfriamiento elastocalórico al frente de la carrera de refrigeración libre de gases de efecto invernadero. Varios desafíos de ingeniería se interpusieron entre su demostración de 2016 y la nueva, que mejoró la recuperación de fluidos, redujo la pérdida de calor debido a la fricción y proporcionó haces de tubos más densos. En el nuevo dispositivo, el agua, el fluido de intercambio de calor, fluye a través de dos conjuntos de tubos de NiTi disponibles comercialmente. Los dos paquetes se conectan a través de un actuador, que aplica una carga a un paquete mientras descarga el otro, creando así ciclos de compresión que impulsan la refrigeración. El sistema puede operar en dos modos diferentes, dependiendo de la cantidad de agua que fluya a través del sistema durante un ciclo. Un modo optimiza la potencia de enfriamiento, el otro el rango de temperatura. El equipo demostró que podían enfriar el sistema en 22,5 K, en comparación con los 4,7 K de su esquema de 2016.

Aún así, los cálculos del equipo indican que la eficiencia general del sistema podría mejorarse en un factor de 6 mediante el uso de actuadores más eficientes. Además, los investigadores creen que podrían mejorar la eficiencia al cambiar el NiTi con un material conocido a base de cobre que exhibe un cambio de temperatura elastocalórico similar bajo un estrés menor. Dichos materiales actualmente no están disponibles comercialmente, pero Takeuchi dice que está entusiasmado con su implementación en sistemas de enfriamiento de bajo estrés.

Los datos de Takeuchi y su equipo "son muy impresionantes", dice Kilian Bartholomé, que investiga convertidores de energía térmica en el Instituto Fraunhofer de Técnicas de Medición Física en Alemania. Señala que casi todos los sistemas elastocalóricos demostrados utilizan NiTi que no fue fabricado ni optimizado para su uso en dispositivos de refrigeración, lo que significa que todavía existe un "gran potencial" para aumentar el rendimiento de los sistemas. Takeuchi cree que él y sus colegas podrán mejorar el rendimiento de su sistema lo suficiente como para que la tecnología sea comercialmente viable dentro de un año. La primera aplicación que prevé: un enfriador de vino compacto.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz es editora correspondiente de Physics Magazine con sede en Vancouver, Canadá.

Los investigadores han sintetizado un compuesto de calcogenuro que tiene la estructura electrónica de un semimetal de Dirac ideal, lo que podría facilitar el estudio de esta exótica clase de materiales. Leer más "

Los experimentos muestran que el comportamiento pegajoso de los llamados polímeros asociativos está controlado por la densidad de las estructuras de unión, lo que contradice las predicciones teóricas. Leer más "

Los materiales que se estiran bajo demanda a menudo se doblan en direcciones no deseadas, pero un nuevo modelo teórico puede producir diseños libres de estrés que cambian de forma sin pandearse. Leer más "